山西省地下水资源管理系统建设研究

王 军

（山西省数字水利中心，山西 太原 030002）

1 概况

1.1 研究背景

水源地及地下水保护工程是山西省“兴水战略”六大工程之一。2006年来，省水利厅投入大量人力物力进行该工程建设。2007年，启动了山西省水井普查工作，到2007年底普查机井136334眼，初步建成了山西省水井普查数据库，实现了水井铭牌管理。2008年11月完成了全省水文地质类型区划分工作，根据地下水动态及开发利用程度，全省共划分市级水文地质类型区377个、县级水文地质类型区746个，并确定了各类型区地下水资源量、可开采量及采补平衡关系，进一步对地下水开发利用程度进行评价。2009—2010年，启动了全省地下水自动监测网络建设。上述工作为强化水权分配和取水总量控制，实现地下水止降回升，科学配置、管理和保护水资源打下了坚实的基础。

1.2 目标和任务

为全面掌握山西省地下水开发利用现状，合理调配有限的地下水资源，有效控制地下水超采，亟需建立一个地下水资源管理系统：即在全省水井普查成果的基础上，建立全省地下水资源动态更新数据库，实现全省水井新增、关停及运行状态动态管理；以年度为单位，将地下水开采量按行政区、特征区及水文地质类型区进行统计汇总；与省水文局地下水监测和动态发布系统链接，实时接收地下水位动态变化；以水文地质类型区为单位进行地下水开发利用程度评价。

2 总体结构

2.1 系统总体设计思路

山西省地下水资源管理系统应在基本建成的山西省数字水利系统的基础上开发，两个系统要紧密结合，相互调用。该系统采用B/S结构，以满足多用户异地同时快速操作需求，还应实现省水文局对山西省地下水监测系统原始数据及成果的调用。

该系统的基本用户是县级水利管理人员。考虑到各县硬件配置参差不齐、使用人员计算机应用水平不一，因此，系统应具有操作简单、界面友好、运行稳定、硬件要求低、兼容性好等特点。

由于涉及的人员多、数据多，调查和录入错误不可避免，因此系统应具有较强的审查及纠错功能，同时还需要对大量数据进行快速查询检索。

2.2 主要功能模块划分

3 存在主要问题

3.1 水井动态更新问题

水井每年动态更新工作量很大，如何合理调配有限的人力资源，高效利用现有资源是系统建设中亟需解决的主要问题。

3.2 不同数据源间的共享问题

各个水源井所安装的设备互有不同，开采量记录方法不尽相同，各自所属管理部门也各不相同，数据存在于纸质、电子表格以及分门别类的数据库系统中。随着今后信息化程度的提高，越来越多的末级管理部门会建设其相应的信息管理系统。能否与这些系统进行数据交互是决定该系统能否可持续发展的关键问题。

3.3 数据查询检索问题

系统建成后，其内容的涵盖面、容纳的数据量、涉及的部门及潜在的用户群在山西省水利行业相关信息系统建设中也是首例。其建设效果很大程度上取决于界面是否友好、操作是否方便、运行是否稳定、查询是否快捷，其中大数据量的灵活快捷查询是该系统着力解决的重点问题。

3.4 地下水实时监测信息的利用问题

地下水实时监测网建成后，如何提升其动态分析成果的时效性，将地下水位的升降与水文地质区、水源井的开采挂钩，给管理者提供快速、准确的数据支持是该系统必须面临的中心问题。

4 思路与方法

4.1 常用地下水计量方式

目前国内广泛采用的地下水计量方式主要有：

第一，普通水表计量。水表是最简单、最广泛的一种用水管理方式，通过水表读数可实现对用水量的监控，因此管理人员必须定期现场读取水量，通过对阀门的控制实现对水资源的管理，其数据更新频率一般以月为单位。

第二，IC卡计量。这是利用智能IC卡水表对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的管理方式。管理中心通过对IC卡的管理，达到收取水费、控制用水量的目的，其数据更新频率为几天到几个月不等。

第三，远程自动监控。远程自动监控的核心是利用CDMA，GPRS，GSM等无线通讯网络实现机井用水量、地下水水位等信号的远程无线传输。管理人员在监测水量的同时，可远程控制水泵的开启和关闭，实现水量控制，做到数据实时更新。

4.2 地下水资源信息的动态更新

4.2.1 合理整合资源，各部门协同作战

采用普通水表管理的，在每年2—4月报上一年的用水数据。采用IC卡计量和远程自动监控方式管理的，尽可能实现其管理系统和本系统之间数据的互联互通。每个管理站应落实专人负责数据录入。

按取水用途的不同，将水井落实到不同的水利管理部门。工业及城市生活井来自山西省水资源实时监控系统，由水资源处更新；农业灌溉井由农村水利处更新；农村生活井来自山西省农村饮水安全信息管理系统，由供水处更新；地下水位监测信息来自山西省地下水位自动监测系统，由水文局更新。4.2.2 异构数据源的共享问题

各相关系统间数据库是异构的，其异构性表现在诸多方面，如数据库模式、数据的表示、支持数据库的DBMS等。需建设一种新的系统框架来解决异构数据库间的信息共享与集成问题。其目标是建立统一接口来访问异构数据，用户访问异构数据时，只需指定所需的数据，而不必关心数据模式、数据抽取、数据合成以及数据获取等细节，实现透明访问。

XML（ExtensibleMarkupLanguage）即可扩展标记语言，是一个交互式平台，是一种独立于软硬件的数据传输工具。该语言具有与平台无关、易于扩展、交互性好、语义性强、可格式化等特性，目前已成为Web数据表示和交换的标准。该系统根据实际需求，在对传统异构数据集成技术进行分析比对的基础上，计划利用XML进行数据共享和传输。

4.2.3 不同频率数据的合成

由于从各部门获取数据源的采样频率不同，即使在同一部门内部，由于采集手段不同，数据采样频率和格式也不尽相同。因此，如何合理、有效地整合这些数据是系统建设过程中面临的主要问题。

系统运行初期，考虑到各部门数据统一和资料收集难度大，统一以年为单位进行数据动态更新。但随着今后功能拓展需求和信息采集自动化程度的提高，以及更进一步的数据挖掘需求，在数据库建设过程中，原则上不应降低或限制原始数据的采样率。

该系统通过改变数据存储格式将不同采样率的数据改变成同样格式的数据。对于表示过程的物理量，采用起始测量时间、结束测量时间、测量值等三个关键字段表征，在进行重采样时采用非采样区间补零的方法进行处理。对于表示状态的物理量，统一采用监测时间、监测值两个物理量表征，在进行重采样时应采用线性插值法进行处理。

4.3 查询检索及统计汇总模块建设

系统中设置了单条件查询、组合条件查询、查询结果中再查询、模糊查询等基本查询功能。同时对查询结果设计了一种灵活、自由的分类汇总模块。即通过自由选择参与汇总的项目（各级行政区、特征区、水文地质区等），经合理组合，形成不同级别用户相应的各类统计报表。对所有查询和汇总结果均可生成相应报表并进行打印、输出等操作。

4.4 地下水自动监测数据及分析成果共享

4.4.1 实时监测数据和整编成果

地下水实时监测数据实效性强，但难免会有个别数据因各种原因存在较大误差。整编成果剔出了误差点，但其时效性又较差，往往有几个月的延迟。该系统将实时数据和整编成果分别建库，利用整编成果推算阈值并对实时数据进行初步甄别，采用联合查询实现二者合并，初步实现了时效性和准确性的统一。

4.4.2 动态分析成果共享

绘制地下水位等值线图是地下水分析中最常用、最经典的方法。目前，省水文局地下水监测与动态发布系统可以利用监测数据动态生成地下水位等值线，其基于ARCIMS软件平台，利用ARCGIS强大的空间分析功能自动绘制等值线，并通过合理增加控制点的方法进行人工干预，避免了局部地区地下水等值线穿越河道、山脊等不合理走向问题，实现了地下水位等值线的半自动绘制，向实时分析迈出了一大步。

下面主要研究如何科学利用成果的问题。

DTM是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述，主要有等值线、规则格网、不规则三角网三种表示形式。

等值线图以一组相等数值点的连线表示制图对象的数量、特征等物理量的地图。但只表达了区域的部分高程值，需要通过插值来计算落在等高线外其他点的高程，适用于平面制图。规则格网将区域空间分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值，在计算机中对应为一个二维数组。其优点是易于用计算机进行处理，例如生成等高线、计算坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形等操作，缺点是不能准确表达细节、数据量大。不规则三角网可随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，既能避免数据冗余，又能展现细节，缺点是不利于计算。

由于地下水位动态分布具有变化平坦、连续性好的特点，而且主要是利用其进行分析计算，加之规则格网是生成等值线的过程产物，因此采用规则格网作为地下水位监测成果的共享方式是可行的。